本文關(guān)鍵詞：植被屏障對畜禽場排放顆粒物源的攔截效率與機理研究

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【摘要】：集約化畜禽養(yǎng)殖場規(guī)模日益擴大,其導(dǎo)致的顆粒物污染隨之增加,通過合理的攔截措施可以實現(xiàn)從源頭對顆粒物污染的控制,從而減輕大氣環(huán)境負擔(dān)。植被屏障在攔截顆粒物過程中表現(xiàn)出高效、利于環(huán)境保護、經(jīng)濟成本低等優(yōu)勢,為畜禽場顆粒物排放控制提供了有效的解決思路,而作為典型植物元素結(jié)構(gòu),其枝-葉尺寸結(jié)構(gòu)特征對顆粒物攔截起到重要作用,為進一步設(shè)計人工滯塵屏障提供了仿生原型。本文調(diào)研了以吉林省長春市的背景環(huán)境的養(yǎng)牛場與養(yǎng)雞場的周邊環(huán)境,依據(jù)長春市氣候條件及畜禽場周邊環(huán)境為基礎(chǔ)建立了室內(nèi)低速風(fēng)洞,風(fēng)洞洞體總高為1.8 m,全長6.5 m,實驗段的風(fēng)速范圍為0~6 m?s-1。設(shè)計了模擬畜禽場顆粒物源的制備方法,該方法主要針對于畜禽場產(chǎn)生的初級顆粒物的模擬,而并未考慮畜禽場產(chǎn)生的次級顆粒物污染。通過EDS檢測,對兩種不同來源顆粒物粉末進行了成分分析:來源于養(yǎng)牛場的顆粒物粉末樣品的成分包括,C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K和Ca,其中C、N、O、Si和Ca是顆粒物源的主要組成成分,平均質(zhì)量分數(shù)分別為30.4%,36.5%,20.5%,4.0%和3.1%;來源于養(yǎng)雞場的顆粒物粉末樣品的成分包括,C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K和Ca,其中C、N、O、K和Ca是顆粒物源的主要組成成分,平均質(zhì)量分數(shù)分別為34.67%,23.79%,34.44%,1.11%和1.89%。通過風(fēng)洞測試系統(tǒng)對枝-葉尺寸結(jié)構(gòu)的紫丁香植被攔截牛場顆粒物源的效率進行了試驗研究,結(jié)果表明:葉表面積密度為19.05 m-1的紫丁香植被屏障,對風(fēng)速的降低效率最高,范圍為60%~85%,風(fēng)速為2.7m?s-1時其降低效率最大,為88.2±8.23%;隨著風(fēng)速增加,風(fēng)速的降低效率呈現(xiàn)出增加的趨勢;紫丁香植被屏障對含小粒徑顆粒物(粒徑小于2μm的顆粒物)更多的顆粒物源攔截能力更高,適合于攔截超細顆粒物,葉表面積密度為19.05 m-1的紫丁香植被屏障在最低風(fēng)速下其最高攔截效率可達48.0±6.0%。利用掃描電鏡對紫丁香葉表進行微觀形貌觀察及顆粒物沉積分布情況:在紫丁香葉片主脈與次主脈附近分布有大量的無序“山脊狀”條紋,并且可以觀察到大量的細顆粒物沉積;葉片表面的條棱、溝脊及其它微觀幾何表面結(jié)構(gòu)都能夠增加顆粒物的沉積效率,密集的微納二級結(jié)構(gòu)分布有利于顆粒物的捕集;測得紫丁香葉片的接觸角平均值為58.96±4.04°,可以認為紫丁香葉片表面屬于親水性表面,該特性使紫丁香植被屏障更利于顆粒物于其表面沉積。通過風(fēng)洞測試系統(tǒng)對樟子松幼株植被攔截牛場顆粒物源的效率進行了試驗研究,結(jié)果表明:在風(fēng)速為0.9m?s-1,顆粒物源水平條件為pⅡ時,pm1、pm2.5和pm10的攔截效率出現(xiàn)最高值,分別為41.59%、26.41%和36.90%;pm1的攔截效率明顯更高,表明樟子松制成的植被屏障對pm1有更好的攔截效果。與紫丁香植被對牛場顆粒物源的攔截效率相比,在接近6.56m-1葉表面積密度條件下,樟子松植被屏障的攔截效率僅略低于紫丁香植被,而風(fēng)速降低程度卻遠遠小于紫丁香植被,因此在攔截同樣數(shù)量顆粒物的過程中其產(chǎn)生的風(fēng)阻遠小于紫丁香植被,這一特性適用于畜禽場顆粒物源的攔截控制,并為低阻力的仿生抑塵網(wǎng)提供了解決思路。利用sem觀察攔截顆粒物前后的樟子松針葉正面與背面顆粒物沉積情況,結(jié)果表明:樟子松針葉表面微觀結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)出有條理的“脊狀”條紋帶與氣孔帶有序排列分布,氣孔間的區(qū)域有絨毛結(jié)構(gòu)分布,大量顆粒物更易于沉積在該區(qū)域,并且在樟子松針葉背面沉積顆粒物要多于正面;另外其正面接觸角為51.57±1.92°,背面的接觸角為78.22±2.61°;通過eds與xps檢測,在背面檢測到顆粒物源的化學(xué)成分多于正面,再次證實樟子松針葉背面沉積的顆粒物源多于正面。采用風(fēng)洞測試系統(tǒng)對紫丁香及樟子松植被屏障周圍的風(fēng)速進行測量,以考察植被屏障周圍的氣流分布,結(jié)果得出:在植被屏障的迎風(fēng)面,氣流速度發(fā)生衰減,在繞過植被屏障上方的監(jiān)測點處抬升的氣流,其流速增加,部分氣流穿過植被屏障后速度發(fā)生衰減,在植被屏障后方監(jiān)測點處明顯降低,最終氣流繼續(xù)沿軸向流往實驗段后部,在遠離植被屏障的監(jiān)測點處其流速呈現(xiàn)出一定的恢復(fù)趨勢。另外,樟子松植被屏障對風(fēng)速的降低效率要遠小于相同條件下紫丁香植被屏障,最高風(fēng)速降低程度為28.3%。對紫丁香植被屏障攔截雞舍顆粒物源的效率進行了試驗研究,結(jié)果表明:當(dāng)風(fēng)速為2.7m?s-1水平時,注入雞舍顆粒物水平為pⅡ時,葉表面積密度為19.05m-1的紫丁香植被屏障,對風(fēng)速的降低效率范圍為65%~78%,風(fēng)速檔最大時其降低效率最大,為78.0±2.55%;與紫丁香植被攔截牛場顆粒物源的風(fēng)洞試驗結(jié)果對比可知,紫丁香植被屏障在攔截來自牛場與雞舍的顆粒物源試驗中對氣流的影響基本呈現(xiàn)出相同的規(guī)律與趨勢,但對于含雞舍顆粒物源的氣流而言,其風(fēng)速降低程度要略低于牛場顆粒物源;與紫丁香植被屏障攔截牛場顆粒物源的效率相比較,紫丁香植被屏障對雞舍顆粒物源對pm10的攔截效率出現(xiàn)顯著的降低。利用sem掃描電鏡對紫丁香葉片表面雞舍顆粒物源沉積區(qū)域分布及其微觀結(jié)構(gòu)特征進行了觀察,結(jié)果表明:紫丁香葉片表面的褶皺區(qū)域內(nèi)積累了大量小粒徑的顆粒物,尤其在無序“山脊狀”條紋之間易沉積細顆粒物,粗顆粒物非常少見;XPS檢測的成分表征證實PⅡ水平下紫丁香葉面積累顆粒物要多于P?水平;紫丁香葉片表面屬于親水性表面,由于雞舍顆粒物源中的粗顆粒物主要來自飼料,為有機物顆粒物,親水性較差;而牛場顆粒物源中的粗顆粒主要來自于土壤,為無機顆粒物,易溶于水,親水性好,因此紫丁香植被更適用于對牛場顆粒物源的攔截。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：Q948;X713

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1 方精云;也論我國東部植被帶的劃分[J];植物學(xué)報;2001年05期

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3 王惠;齊實;李林英;劉勁;;森林河溪植被帶建設(shè)[J];林業(yè)調(diào)查規(guī)劃;2007年05期

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本文編號：1263222